數(shù)控原理與應用工程課程設計

1、數(shù)控原理與應用工程課程設計目 錄機床的數(shù)控改造 1機床數(shù)控改造總體方案確定 8機械部分設計計算13數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 30軟件設計 34參考文獻 50 內(nèi)容提要隨著科學技術(shù)的發(fā)展，由于普通機床效率差、性能落后，世界各工業(yè)發(fā)達國家通過發(fā)展數(shù)控技術(shù)、建立數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)，促使機械加工業(yè)跨入一個新的“現(xiàn)代化”的歷史發(fā)展階段，從而給國民經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)帶來了巨大的變化。本系統(tǒng)是一個典型的經(jīng)濟型數(shù)控裝置。系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)數(shù)控機床的位置控制。使用變頻調(diào)速系統(tǒng)控制主軸電機的運行。本系統(tǒng)具有巡檢速度快、精確、方便、可靠性能高、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點，在工商業(yè)領域應用地越來越多。關(guān)鍵詞 數(shù)控機床 步進電機 齒輪傳動 滾

2、珠絲杠 硬件電路 程序設計 計算一、機床的數(shù)控改造1、概述隨著社會生產(chǎn)和科學技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，改型頻繁。目前，機械加工中單件、小批量加工約占80，對機床不僅要求具有高的精度和生產(chǎn)效率，而且還要具備“柔性”，即靈活、通用，能迅速適應加工零件的變更。數(shù)控機床較好地解決了形狀復雜、精密、小批、多變的零件加工問題。它具有適應性強、較高的加工精度、穩(wěn)定的加工質(zhì)量和高生產(chǎn)效率的優(yōu)點。所以，數(shù)控機床是一種靈活而高效的自動化機床。隨著電子、自動化、計算機和精度測試等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床在機械制造業(yè)中的地位將越來越重要。2、數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展第一臺數(shù)控機床是適應航空工業(yè)制造復雜零件

3、的需要而產(chǎn)生的。1948年，美國帕爾森茲（parsons）公司在研制加工直升飛機葉片輪廓檢查用樣板的機床時，提出了數(shù)控機床的初始設想。后來受空軍委托與麻省理工學院合作開始了將三坐標銑床數(shù)控化的研究工作。1952年公開發(fā)表了世界上第一臺數(shù)控機床樣機，這是一臺直線插補連續(xù)控制的三坐標銑床，使用了電子管元件。后來又經(jīng)過三年的改進與自動化程序編制的研究，于1955年進入實用階段，投產(chǎn)了一百臺類似產(chǎn)品。這些數(shù)字控制銑床在復雜的曲面零件加工中，發(fā)揮了很大的作用。數(shù)控機床是綜合應用了微電子、計算機、自動控制、自動檢測以及精密機械等技術(shù)的最新成果而發(fā)展起來的全新型機床。就其數(shù)控系統(tǒng)而言已經(jīng)歷了幾代變化：第一代

4、：19521959年采用電子管元件；第二代；從1959年開始采用晶體管元件，第三代：從1965年開始采用集成電路；第四代；從1970年開始采用大規(guī)模集成電路及小型通用計算機；第五代：從1974年開始采用微處理機或微型計算機。從數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展來看，它主要向著增強功能、方便使用、提高可靠性和降低價格方向發(fā)展。數(shù)控機床的發(fā)展不僅表現(xiàn)為數(shù)量的迅速增長，而且在質(zhì)量與性能上也有顯著提高?？茖W技術(shù)的迅速發(fā)展，對機械產(chǎn)品提出了高精度、高復雜性的要求，而且產(chǎn)品改型頻繁。這對機床設備不僅提出精度與效率的要求，而且也提出了通用性與靈活性的要求。特別是宇航、造船、武器生產(chǎn)等工業(yè)部門，需要加工的零件多具有精度高、形狀復

5、雜、批量小、經(jīng)常變動等特點。使用普通機床加工這些零件，不僅勞動強度大、效率低，而且難以保證精度，有些零件甚至無法加工?，F(xiàn)將其主要發(fā)展方向簡述如下。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進步，以及社會對產(chǎn)品質(zhì)量和品種多祥化的要求愈來愈強烈。中、小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機床成為一種具有柔性、精密、高效、復合、集成功能和低成本的自動化加工設備。同時，為了滿足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元(fmc)、柔性制造系統(tǒng)(fms)，以及計算機集成制造系統(tǒng)(cims)提供基礎設備也要求數(shù)控機床向更高水平發(fā)展。當前數(shù)控機床技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢。 （1）高精度化 現(xiàn)代科學技術(shù)與生產(chǎn)的發(fā)展，對機械加工與測

6、量提出了越來越高的精度要求。加工精密化不只是由于發(fā)展高、新技術(shù)的需要，也是為了提高普通機電產(chǎn)品的性能質(zhì)量、壽命和可靠性的需要，同時還是為了減少機械產(chǎn)品裝配時的修配工作量，提高裝配效率的需要。故機床的加工精度有不斷提高的趨勢。 （2）運動高速化 高速是高效的基礎，要提高生產(chǎn)，首先就得提高切削速度。這正是機床技術(shù)發(fā)展追求的基本目標之一。而實現(xiàn)這個目標的最主要、員直接的方法就是提高切削速度和減少輔助時間。數(shù)控機床的“高速化”主要體現(xiàn)在主軸轉(zhuǎn)速和進給速度。隨著刀具、電機、軸承、數(shù)控系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)的突破及機床本身基礎技術(shù)的進步，使各種運動速度大幅度提高。（3）高柔性化 柔性是指機床適應加工對象變化的能力

7、。傳統(tǒng)的自動化設備，由于是機械或剛性連接和控制的，當被加工對象變換時，調(diào)整很困難，甚至是不可能的，有時只得全部更新、更換。數(shù)控機床的出現(xiàn)，開創(chuàng)了柔性自動化加工的新紀元，對滿足加工對象變換有很強的適應能力。而且，在提高單機柔性化的同時，正努力向單元柔性化相系統(tǒng)柔性化發(fā)展。 實踐證明，采用柔性自動化設備或系統(tǒng)是提高加工精度和效率、縮短生產(chǎn)和供貨周期、并能對市場變化需求做出快速響應和提高競爭能力的有效手段。 作為柔性化典型設備的數(shù)控機床及fmc、fms，80年代發(fā)展很快。其中體現(xiàn)柔性化程度較高的機種加工中心的產(chǎn)量、產(chǎn)值增長更快，都遠遠超過數(shù)控機床年平均增長率。 （4）高自動化 這里指的柔性自動化是包

8、括物料流和信息流的自動化。 80年代中期以來，以數(shù)控機床為主體的加工自動化已從“點”(單臺數(shù)控機床)發(fā)展到“線”的自動化fms、ftl)和“面”的自動化(柔性制造車間)。結(jié)合信息管理系統(tǒng)的自動化，逐步形成整個工廠“體”的自動化。在國外已出現(xiàn)fa(自動化工廠)和cim(計算機集成制造)工廠的實體。盡管由于這種高自動的技術(shù)還不夠完備，投資過大，回收期較長，但數(shù)控機床的高自動化以及向fmc、pms的系統(tǒng)集成方向發(fā)展的總趨勢仍是機械制造業(yè)發(fā)展的主流。 數(shù)控機床(包括fmc和fms)的自動化除進一步提高其自動編程、自動換刀、自動上下料、自動加工等自動比程序外，在自動檢測、自動監(jiān)控、自動診斷、自動對刀、自

9、動傳輸、自動調(diào)度、自動管理等方面也進一步得到發(fā)展的同時也提高了其標準化和在線的適應能力。 （5）復合化 復合化包括工序復合化相功能復合化。數(shù)控機床的發(fā)展已模糊了粗、精加工工序的概念。 目前，很多企業(yè)正在對可靠性設計技術(shù)、可靠性試驗技術(shù)、可靠性評價技術(shù)、可靠性增長技術(shù)以及可靠性管理與可靠性保證體系等進行深入研究和廣泛應用，以期使數(shù)控機床的整機可靠性水平提高到一個新水平。 （7）宜人化 宜人化是一種新的設計思想和觀點，是將功能設計與美學設計有機結(jié)合，是技術(shù)與經(jīng)濟、文化、藝術(shù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，其核心是使產(chǎn)品變?yōu)楦哂绪攘Α⒏m銷的對路商品，引導人們進入一種新的生活方式和工作方式。工業(yè)先進國家早已將其廣泛用

10、于各種產(chǎn)品的設計中。因此它是經(jīng)濟騰飛、提高市場競爭能力的重要手段。使用戶在操作安全、使用方便、性能可靠的同時，還能體會到一種美的享受感、舒服感、欣賞感，令人在心情愉快中完成工作。 （8）設計cad化 數(shù)控機床的設計是一項要求較高、綜合性強、工作量大的工作故應用cad(computer aided desigin)一計算機輔助設計)技術(shù)就更有必要、更迫切。3、數(shù)控改造的必要性 數(shù)控機床可以較好解決形狀復雜、精密，小批、多變零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，但是應用數(shù)控機床還受到其它條件的限制。(1)數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，對中小企業(yè)常是心有余而力不足。 (2)目前各企業(yè)都

11、有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床替換根本不可能，而且替代下的機床閑置起來又會造成浪費。(3)在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)急需。(4)通用數(shù)控機床對具體生產(chǎn)有多余功能。 要較好地解決上述問題，應走普通機床數(shù)控改造之路。從美國、日本等工業(yè)化國的經(jīng)驗看，機床的數(shù)控改造也必不可少，數(shù)控改造機床占有較大比例。如日本的大企業(yè)中有26的機床經(jīng)過數(shù)控改造，中小企業(yè)則是74。在美國有許多數(shù)控專業(yè)化公司為世界各地提供機床數(shù)控改造服務。因此，普通機床的數(shù)控改造不但有存在的必要，而且大有可為，尤其對一些中小企業(yè)更是如此。4、數(shù)控改造的優(yōu)點數(shù)控改造一般是指對普通機床某些部位做一定的改造，配

12、上數(shù)控裝置，從而使機床具有數(shù)控加工能力。其改造的目的有幾點。(1)提高資本效率出發(fā)，改造閑置舊設備，發(fā)揮機床的原有功能和改造后的新增功能，提高機床的使用價值。(2)為了提高生產(chǎn)效率進行數(shù)控改造。 (3)為了適應多品種、小批量零件生產(chǎn)而進行數(shù)控改造。(4)為了使技術(shù)等級較低的工人也能加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品零件和提高生產(chǎn)效率而進行數(shù)控改造。 (5)為了減小整個設備投資計劃而進行數(shù)控改造。所有這些目的都圍繞一點，即提高機床的性能價格比，用較少的價格，得到較高的機床性能。因此數(shù)控改造具有以下優(yōu)點。(1)易于對現(xiàn)有的機床實現(xiàn)自動化，而且專業(yè)性強，沒有多余功能。(2)減少輔助加工時間，提高機床的生產(chǎn)效率。(3

13、)降低對工人技術(shù)等級的要求。(4)控改造費用低，可充分利用原有機床設備。(5)數(shù)控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。5、簡易型數(shù)控機床簡易型數(shù)控機床又稱為經(jīng)濟型數(shù)控機床。這種機床的特點是簡單、實用、價廉、可靠、操作維修方便。簡易型數(shù)控機床的設計思想是面向生產(chǎn)第一線的操作工人，使操作適合操作工人的特點，經(jīng)過短期培訓就能迅速地掌握，并讓工人在加工中發(fā)揮他們原有的操作經(jīng)驗。簡易型數(shù)控機床，其零件程序一般不使用紙帶輸入，而用鍵盤或磁帶輸入。它去掉了一些傳統(tǒng)的、復雜的自動機能，而保留了自動加工的基本功能。這種裝置由于體積小，往往與機床構(gòu)成一體，所以具有價廉、可靠等優(yōu)點，且在技術(shù)上具有一定的先進性，為我國現(xiàn)有

14、舊機床的改造提供了有利條件。適應目前技術(shù)革新與技術(shù)改造中量大面廣的需要。目前國內(nèi)發(fā)展了許多品種的簡易型數(shù)控機床，其中以簡易型數(shù)控車床為最多。二、設計任務與總體方案確定 1設計任務 （1） 本設計任務是對ca6140普通車床進行數(shù)控改造， 利用微機對縱、橫進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制。縱向脈沖當量為0.ol0mm脈沖，橫向脈沖當量為0005mm脈沖。驅(qū)動元件采用直流步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠。（2）實現(xiàn)要求：車削外圓、端面、圓弧、圓錐及螺紋加工。（3）操作要求：起動、點動、單步運行、自動循環(huán)、暫停、停止。2總體方案的確定（1）確定改造對象本方案所選改造車床為應用范圍較廣的ca6140普通車床,該車床

15、是我國自行設計、制造的機床。該機床萬能性大，適用于加工各種軸類、套筒類、輪盤類零件上的回轉(zhuǎn)表面。ca6140型車床因加工范圍廣、結(jié)構(gòu)復雜、自動化程度不高，所以，一般用于單件、小批生產(chǎn)。其主要技術(shù)規(guī)格如下:（2）ca6140主要技術(shù)參數(shù) 型號技術(shù)參數(shù)ca6140床身上最大回轉(zhuǎn)直徑（主參數(shù)）400mm工件最大長度（第二主參數(shù)）750、1000、1500、2000mm刀架溜板上最大工件回轉(zhuǎn)直徑210mm主軸孔前端錐度莫氏6號主軸孔徑48mm主軸轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)24級 101400r/min反轉(zhuǎn)12級 141580 r/min進給量縱向64級 0.0286.33mm/r橫向 64級 0.0143.16 mm/

16、r縱向快速 4m/min橫向快速 2m/min車削螺紋公制44種1192mm英制20種224牙英寸模數(shù)39種0.2548mm徑節(jié)37種196牙英寸刀架行程最大縱向行程4種650、900、1400、1900mm最大橫向形成2種260、295mm小刀架最大行程2種139、165mm主軸中心線至刀桿支面距離25mm刀桿截面尺寸25mm25mm尾座套筒頂尖空錐度莫氏5號主電機功率7.5kw轉(zhuǎn)速1400r/min溜板快速移動電機功率250kw轉(zhuǎn)速1360r/min外形尺寸長度2668mm寬度100mm高度1267mm察看了ca6140車床及有關(guān)資料，并且參照數(shù)控車床的改造經(jīng)驗，確定總體方案為：采用微機對

17、數(shù)據(jù)進行計算處理，由i/o接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪減速后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向進給運動。如圖1所示?？v向工作臺 功率放大步進電機光電隔離微機橫向工作臺 功率放大光電隔離步進電機由于設計的是簡易型經(jīng)濟數(shù)控,所以考慮具體方案時,基本原則是在滿足需要的前提下,對于機床盡可能減小改動量,以降低成本。采用開環(huán)控制改造后保留原機床的主傳動部分，去掉進給箱、溜板箱，拆下機床三杠。縱向進給機構(gòu)的改造：縱向進給機構(gòu)利用原車床進給箱的按裝孔和銷釘孔按裝齒輪箱體。進給運動的實現(xiàn)有滾珠絲框完成他置于原絲框的位置，兩端采用原有固定方式。用步進電機數(shù)控系統(tǒng)帶動絲框控制縱向工作臺運動。橫向進給機構(gòu)的改造

18、：保留原手動機構(gòu)，用于微進給和機床刀具對零操作，原有的支承結(jié)構(gòu)也保留?？v、橫進給機構(gòu)都采用了一級齒輪減速，并用雙齒輪錯齒法消除間隙。改造后的機床上安裝有縱橫快速進給和急停按鈕以適應機床調(diào)整時的操作和意外事故的緊急處理。經(jīng)濟型數(shù)控車床上加工螺紋和絲杠，需配置脈沖發(fā)生器作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步運轉(zhuǎn)，發(fā)出車床主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號，輸送到計算機。為延長主軸脈沖發(fā)生器的使用壽命，減少磨損?？砂惭b電磁離合器不使用時將其斷開。數(shù)控系統(tǒng)采用mcs-51系列的單片機控制，經(jīng)比較采用具有價格低，功能強，使用靈活等優(yōu)點的8031有擴展系統(tǒng)的單片機，即用8031外接2764（eprom）、62

19、64(ram)及8155（擴展i/o）等芯片擴展一個較簡單的微機控制系統(tǒng)。ca6140車床數(shù)控改造總布置圖（如圖2）三、機械部分的設計計算1、縱向進給系統(tǒng)的設計計算(裝配圖)(1)切削力的計算機床切削力的大小取決于刀具的材料、被加工工件的材料、切削用量等因素。而機床設計首先是由切削力的大小來估算電機的功率。本系統(tǒng)為對現(xiàn)有ca6140型普通車床的改造，所以可以由該機床的電動機功率和主軸上傳動的功率反推出工作臺進給時的切削力，由金屬切削原理得出機床的縱向切削力：機床縱向切削力fxcfx.apxfx.fyfx.vzfxfxcfx.ap.f0。5.v0。4切削用量: ap=4mm ,f=0.4mm/r

20、,v=100m/min 式中：cfx294、xfx=1.0、yfx=0.5、zfx=-0.4fz0.3fx將已知數(shù)據(jù)代入上式縱向切削力：fx130.71kgf fz435.6kgf(2)滾珠絲杠的設計計算工作負荷p的計算工作負荷p是指數(shù)控機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力。其數(shù)值可由下式計算：縱向工作負載：pkfx+f（fzg）式中：k考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)。f導軌上的摩擦系數(shù)。g移動部件的重量。取k=1.15 f0.15計算結(jié)果：縱向工作負載p=266.6kgf壽命l的計算10660ntl式中：n滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min） t使用壽命時間（h）本系統(tǒng)t取1500h計算結(jié)果：l5

21、2.47最大動負荷q的計算q fw fh p式中：fw運轉(zhuǎn)系數(shù)：取1.5 fh運轉(zhuǎn)系數(shù)：取1.0計算結(jié)果:縱向最大負載：q4671.7n由以上計算結(jié)果選取滾珠絲杠：縱向選?。篸d2=40mm,選用fb406-3-e2傳動效率tg(+)tg螺紋的螺旋升角摩擦角滾珠絲杠滾動摩擦系數(shù)f0.0030.004其摩擦角約等于102044所以縱向傳動效率0.9428剛度驗算滾珠絲杠受工作負載fx引起的導程l0的變化量eapl0l1式中：l0=6mm 彈性模量 e20.6104mpa縱向:266.69.816a1= r2 =1135.0403mm2=6.710-5mm20.61041135.0403a2滾珠絲

22、杠受扭矩引起的導程變化量l2很小可忽略l1=6.710-6100/0.6=11.16m/m100所以l0查表知e級精度絲杠允差15m。故剛度足夠。穩(wěn)定驗算fkfz2eil2取彈性模量e20.6104mpai=d4/64=36.0314/64=82732 l=1000mm支承方式由表27得fz=4.0將數(shù)據(jù)代入上式得fk672822k=fk/fm=263knk=25-4 2634 故絲杠不會失穩(wěn)是安全的（3）齒輪及步進電機的計算傳動比的計算設計計算公式均來自機床設計手冊傳動比步距角:0.75/step 滾珠絲杠導程: s6mm脈沖當量p=0.010mm/step=1.25360pi = s360

23、0.010.756= 主要幾何尺寸的計算故取：z1=40 z2=50m=2mm ha*1 b1=25mm b2=20mm =20齒輪主要幾何尺寸計算d1=mz1= 240=80mm d2=mz2= 250=100mm da1= d1+2ha*=84mm da2= d2+2ha*=104mmdf1= d1-2hf*=75mm df2= d2-2hf*=95mma=2d1+ d2=90mm轉(zhuǎn)動慣量的計算齒輪的轉(zhuǎn)動慣量jz1=7.8da1b110-4jz2=7.8da2b210-4jz1=7.88.442.510-4=9.7085(kgcm2)jz2=7.810.442.010-4=18.25(kg

24、cm2)絲杠的轉(zhuǎn)動慣量js=7.810-4d4l=7.810-410410019.968(kgcm2)3.140.75j=(180p1800.01)2m=()280=0.468 kgcm2 工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量電機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略。總的轉(zhuǎn)動慣量1i2( js + jz2 ) + jz1+ jij11.252(19.968 +18.25 ) + 9.7085 + 0.468=34.64( kgcm2)j步進電機轉(zhuǎn)軸上啟動力矩的計算縱向啟動力矩2 b2 tq36p2 p + ( p+ g ) 式中：px運動方向的切削抗力（n）； 摩擦系數(shù)； p1 垂直方向的切削力（n）； g工作臺

25、重量（包括工件夾具在內(nèi)）（n）； 總機械效率。得出縱向啟動力矩25.15kgfcmpfmax=1000vmax步進電機的最高工作頻率計算：式中：vmaxx=0.21m/s; vmaxy=0.45m/s計算結(jié)果： fmaxz=5000步stqjmax=步進電機的選擇0.866步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩jmax: 縱向最大靜轉(zhuǎn)矩 jmaxy=96.76 kgfcm由jmax和fmax選取縱向均為110bf003110bf003：步距角0.751.5，最大靜轉(zhuǎn)矩（n.cm）800 ，最高空載啟動頻率（step/s）1500，運行頻率（step/s）7000，相數(shù)3，電壓（v）80，相電流（a）6 。 外形尺

26、寸：外徑 110 長度 160 軸徑60 mm重量60n校核齒輪傳動的強度小齒輪材料用40cr、調(diào)質(zhì)處理hb1=280 大齒輪材料用45#鋼、調(diào)制處理hb2=240；齒輪精度為7級，傳遞功率p14.1047101kw小齒輪轉(zhuǎn)速n1=500r/min 大齒輪 n2=400r/min齒數(shù)z1=40 , z2=50,m=2齒寬b125 b120雙向傳動、壽命十年，每日兩班制、小齒輪相對軸承懸臂布置、載荷平穩(wěn)、用步進電機驅(qū)動。校核齒面接觸疲勞強度計算小齒輪的扭矩t1=9.55106n1p15004.10410-1=9.55106=7840nm計算載荷系數(shù) kkakvkh 由表87查的使用系數(shù)ka=1.

27、00= 0.4224050040=z1d1n1v z1100=根據(jù)601000100100601000由圖88查的動載荷系數(shù)kv1.04根據(jù)d=b/d1=20/80=0.25由圖811查得齒向載荷分布系數(shù)kh1.21故得載荷系數(shù)k=11.041.21=1.2584由表87查得彈性影響系數(shù)zf189.8節(jié)點區(qū)域系數(shù)zh=2.5齒數(shù)比為1.25slinknlin許用接觸應力=由圖815查得h1lim=600mpa h2lim=580mpa smin=1.0根據(jù)n1=60jn1lh=6016003001610=144107 n2=n1/u=144107/1.25=115.2107由圖817查得接觸疲

28、勞壽命系數(shù)khn1= khn2=1則h116001600mpa h2580 mpa校核齒面接觸疲勞強度h=zezh =189.825=250mpahh2580 mpa校核齒根彎曲疲勞強度許用彎曲應力f=kfnflim/smin根據(jù)前面計算的n1和n2由圖818查得：kfn1kfn21.0由圖816查得f1lim=600 mpa f2lim=420 mpa由表88查得齒形系數(shù)yf1=2.40 yf2=2.32應力修正系數(shù)ys11.67 ys21.70 計算f1yf1 ys15002.401.67=124.7505f2yf2 ys24202.321.70=106.4909大齒輪彎曲疲勞強度較弱，應

29、校核其齒根彎曲疲勞強度校核齒根彎曲疲勞強度根據(jù)kh=1.21 b/h=20/45=4.44由圖812得kfb=1.15則kkakvkf1.001.041.15=1.029f2=yf2 ys2=2.321.70=21.1036 mpaf2=420 mpa齒根彎曲疲勞強度滿足要求，齒輪強度足夠2、橫向進給系統(tǒng)的設計計算(裝配圖)(1)切削力的計算機床橫向切削力fycfy.apxfy.fyfy.vzfyfycfy.ap0.9.f0。6.v0。3fz0.4fy將已知數(shù)據(jù)代入上式縱向切削力：fy53.3kgf fz133.25kgf(2)滾珠絲杠的設計計算工作負荷p的計算工作負荷p是指數(shù)控機床工作時，實

30、際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力。其數(shù)值可由下式計算：縱向工作負載：pkfy +f（fy+2fzg）取k=1.4 f0.2計算結(jié)果：縱向工作負載p=134.59kgf壽命l的計算10660ntl式中：n滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min） t使用壽命時間（h）本系統(tǒng)t取1500h計算結(jié)果：l63最大動負荷q的計算q fw fh p式中：fw運轉(zhuǎn)系數(shù)：取1.5 fh運轉(zhuǎn)系數(shù)：取1.0計算結(jié)果:橫向最大負載：q7872.5n由以上計算結(jié)果選取滾珠絲杠：橫向選取：dd1=25mm,選用fb255-3-f傳動效率tg(+)tg滾珠絲杠滾動摩擦系數(shù)f0.0030.004其摩擦角約等于103039所以縱向傳動效率0.

31、9565剛度驗算滾珠絲杠受工作負載fx引起的導程l0的變化量eapl0l1式中：l0=6mm 彈性模量 e20.6104mpa橫向:134.599.816a1= r2 =430.5122mm2=8.932610-5mm20.6104430.5122a2滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量l2很小可忽略=8.932610-6100/0.6=14.88m/ml1100所以l0查表知e級精度絲杠允差15m。故剛度足夠。穩(wěn)定驗算fz2eifkl2取彈性模量e20.6104mpai=d4/64=21.8254/64=11137.4793 l=1000mm支承方式由表27得fz=4.0 絲杠長度l=300mm將

32、數(shù)據(jù)代入上式得fk1006401nk=fk/fm=256k=256nk=4 2564 故絲杠不會失穩(wěn)是安全的（3）齒輪及步進電機的計算傳動比的計算設計計算公式均來自機床設計手冊傳動比=2.08360pi = s3600.0050.755 步距角:0.75/step 滾珠絲杠導程: s5mm脈沖當量p=0.05mm/step故取z1=24 z2=50主要幾何尺寸的計算m=2mm b1=30mm b2=25mm =20d1=mz1= 224=48mm d2=mz2= 250=100mm da1= d1+2ha*=52mm da2= d2+2ha*=104mmdf1= d1-2hf*=45mm df

33、2= d2-2hf*=95mma=2d1+ d2=74mm轉(zhuǎn)動慣量的計算齒輪的轉(zhuǎn)動慣量jz1=7.84.842.510-4=1.3051(kgcm2)jz2=7.81042.510-4=19.5(kgcm2)絲杠的轉(zhuǎn)動慣量js=7.810-4d4l=7.810-42.5430=0.914(kgcm2)3.140.75j=(180p1800.005)2m=()260=0.088 kgcm2工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 電機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略?？偟霓D(zhuǎn)動慣量12.082 j(0.914 + 19.5 ) + 1.3051 +0.088=6.112( kgcm2)步進電機轉(zhuǎn)軸上啟動力矩的計算2

34、b2 tq36p2 px+ ( p1 + g ) 得出橫向啟動力矩4.299kgfcmpfmax=1000vmax步進電機的最高工作頻率計算：式中：vmaxx=0.21m/s; vmaxy=0.45m/s計算結(jié)果：fmaxx=1000步s tqjmax=步進電機的選擇0.866步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩jmax: 橫向最大靜轉(zhuǎn)矩：jmaxx=16.55kgfcm 由jmax和fmax選取兩個方向橫向為110bf003。110bf003：步距角0.751.5 ，最大靜轉(zhuǎn)矩（n.cm）800， 最高空載啟動頻率（step/s）1500 ， 運行頻率（step/s）7000 ， 相數(shù)3 ， 電壓（v） 80

35、，相電流（a）6。外形尺寸：外徑 110 長度 160 軸徑60 mm重量60n校核齒輪傳動的強度小齒輪材料用40cr、調(diào)質(zhì)處理hb1=280hbs 大齒輪材料用45#鋼、調(diào)制處理hb2=240 hbs；齒輪精度為7級，傳遞功率p12.5131101kw小齒輪轉(zhuǎn)速n1=500r/min 大齒輪 n2=240r/min齒數(shù)z1=40 , z2=50,m=2齒寬b125 b120雙向傳動、壽命十年，每日兩班制、小齒輪相對軸承懸臂布置、載荷平穩(wěn)、用步進電機驅(qū)動。校核齒面接觸疲勞強度計算小齒輪的扭矩t1=9.55106n1p15002.513110-1=9.55106=4800nm計算載荷系數(shù) kka

36、kvkh 由表87查的使用系數(shù)ka=1.00= 0.4224050040=z1d1n1v z1100=根據(jù)601000100100601000由圖88查的動載荷系數(shù)kv1.04根據(jù)d=b/d1=25/48=0.5208由圖811查得齒向載荷分布系數(shù)kh1.42故得載荷系數(shù)k=11.031.42=1.4626由表87查得彈性影響系數(shù)zf189.8節(jié)點區(qū)域系數(shù)zh=2.5齒數(shù)比為2.08slinknlin（6）許用接觸應力=由圖815查得h1lim=600mpa h2lim=580mpa smin=1.0根據(jù)n1=60jn1lh=6015003001610=1.44109 n2=n1/u=1.44

37、109/2.08=6.9121108由圖817查得接觸疲勞壽命系數(shù)khn1= 1 khn2=1.14則h116001.0600mpa h21.14500/1.0 mpa=189.82.5=校核齒面接觸疲勞強度h=zezh =260.1745mpahh2600mpa校核齒根彎曲疲勞強度許用彎曲應力f=kfnflim/smin根據(jù)前面計算的n1和n2由圖818查得：kfn1kfn21.0由圖816查得f1lim=800 mpa f2lim=420 mpa smin=1.0由表88查得齒形系數(shù)yf1=2.65 yf2=2.28應力修正系數(shù)ys11.58 ys21.70 計算f1yf1 ys18002

38、.651.58=119.4172 mpaf2yf2 ys24202.281.70=108.389大齒輪彎曲疲勞強度較弱，應校核其齒根彎曲疲勞強度校核齒根彎曲疲勞強度根據(jù)kh=1.42 b/h=25/4.5=5.5由圖812得kfb=1.26則kkakvkf1.001.031.26=1.2978f2=yf2 ys2=2.781.70=20 mpaf2=420 mpa齒根彎曲疲勞強度滿足要求，齒輪強度足夠四、數(shù)控系統(tǒng)的設計數(shù)控系統(tǒng)通過系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件、合理組織、管理數(shù)控系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補和輸出信息，控制執(zhí)行部件、使數(shù)控機床按照操作者的要求、有條不紊地進行加工。1、硬件系統(tǒng)設計（1）

39、控制方案該數(shù)控系統(tǒng)以8031作為中央處理器，通過監(jiān)控程序和系統(tǒng)軟件控制各部件動作，實現(xiàn)各種零件加工。有鍵盤輸入加工零件的段號或零件號及終點坐標，并有按鍵給出分段加工或連續(xù)加工的信號。（2）主要元件mcs51系列的8031芯片作為為系統(tǒng)的主機，有它控制車床系統(tǒng)的各種加工及動作。本系統(tǒng)采用全譯碼方式。（3）控制系統(tǒng)的功能要求z向和x向進給伺服運動控制螺紋加工控制行程控制鍵盤及顯示面板管理其它功能：光電隔離、功率放大報警、急停、復位等。2、硬件電路的組成采用mcs51系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路組成如下：（1） cpu采用intel的8031芯片（2） 擴展程序存儲器2764（8k8位）兩片擴展

40、數(shù)據(jù)存儲器6264（8k8位）一片（3） 擴展可編程接口并行i/o接口芯片8155兩片（4） 地址鎖存器74ls373，譯碼器74ls138各一片（5） 鍵盤電路、顯示電路（6） 光電隔離電路、功率放大電路（7） 越程報警電路、急停電路復位電路（8） 面板管理電路3、設計說明（1）cpu采用8031芯片，由于片內(nèi)無程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲也只有128字節(jié)，因此擴展外部存儲器2764兩片，數(shù)據(jù)存儲器6264一片。8031的io接口也不能滿足輸出口的要求，本系統(tǒng)擴展了兩片8155可編程芯片（2） 采用譯碼器74ls138的輸出口作為片選信號，2764（1），2764（2）6264、8155（1）815

41、5（2）的片選信號分別接到譯碼器74ls138的y0y40，74ls138的輸入a,b.c分別接到8031的p2。5 、p2。6 、p2。7（3） 由于2764和6264芯片都是8kb需要接13根地址線。a0a7低8位接地址鎖存器74ls373芯片的輸出，a8a12接8031的芯片的p2。0 、p2。1 、p2。2、p2。3 、p2。4，地址鎖存器74ls373在選通信號ale為高電平時直接傳送8031,p0口低8位地址、當ale在高電平變低電平的下降段時，低8位地址被鎖存，此時p0口可用來向片外傳送續(xù)寫數(shù)據(jù)。可直接將單片機的ale信號加到地址鎖存器74ls373的使能端。（4） 接口芯片與外

42、設聯(lián)接及說明如下： 8155（2）的pa0 pa7輸出指令脈沖通過光電隔離電路和功率放大電路直接驅(qū)動縱向和橫向電機的其六相繞組。8155（2）的pc0 pc7作為顯示器位選信號，顯示器的段選信號則由8031的p1。0p1。7發(fā)出。8155（2）的pb0 pb7是鍵盤掃描輸入。行程限位報警信號z z x x分別通過8155（2）的的pb4pb5 pb6pb7提出中斷申請。根據(jù)不同的中斷口可直接識別行程方向，此時相應的紅燈報警。8155（1）的pa0 pa5接控制面板上的選擇開關(guān)，設有編輯、空運行、自動、手動（1）手動（2）回零等選擇方式。8155（1）的pb0 pb7接控制面板上的按鈕開關(guān)、設有

43、啟動、停止、警告、急停、點動、單步、單段、連續(xù)等操作功能。加工螺紋時與機床主軸相連的光電脈沖發(fā)生器會發(fā)生螺紋加工信號和零件螺紋信號，螺紋加工信號送入8031的p0口。通過設置不同的時間常數(shù)，可以改變主軸每轉(zhuǎn)時的的縱向進給量，從而加工出不同螺距的螺紋。零位螺紋信號送入8155（1）的pc口用來防止多次起到使螺紋亂扣。（5）系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼器，各存儲器及i/o接口地址編碼如下：芯片接74ls138引腳地址選擇線片內(nèi)地址單元（字節(jié)）地址編碼2764（1）y0000 8k0000h1fffh2764（2）y1001 8k2000h3fffh6264y2010 8k4000h5fffh8155（

44、1）ramy30111 1110 2567e00h7effhi/oy30111 1111 1111 167ff8h7ffdh8155（2）ramy41001 1110 2569e00h9effhi/oy41001 1111 1111 169ff8h9ffdh2、軟件系統(tǒng)設計（1）鍵盤掃描模塊該模塊功能：識別是否有鍵按下，如有則進行鍵譯碼，找出按下的鍵，若無鍵按下則返回。經(jīng)鍵譯碼如是數(shù)字鍵按下則將鍵值送顯示緩沖區(qū)，若為功能鍵按下則轉(zhuǎn)到對應的服務程序。由于觸點的彈性設計作用一個按鍵開關(guān)在閉合或斷開時都不會馬上接通或斷開、在閉合或斷開的瞬間都伴有連續(xù)的抖動，抖動的時間長短由按鍵的機械決定，一般為5m

45、s10ms，這里采用軟件方法消抖，在第一次檢測時有鍵按下，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后在確定該鍵電平是否保持閉合狀態(tài)電平，如是則確認有鍵按下。程序流程圖開始掃描全鍵盤有鍵按下？延時去抖動逐行掃描有鍵合上嗎？指向下一行全部掃描一遍了嗎？消抖軟件的編程yeyin mov dptr # 7fffh ; 鍵盤地址 movx a dptr； 讀鍵盤 anl a, # 1fh; 屏蔽高三位 mov r3 ，a； 保存鍵盤狀態(tài)值 call d10ms; 延時10ms消抖movx a dptr； 再讀鍵盤狀態(tài)anl a, # ffh; cjne a v3，pass； 兩次結(jié)果不一致轉(zhuǎn)passcjne a ，

46、# 1eh， t02；ljmp key1；t02： cjne a ，# 1df1， t03； k2 鍵未按下轉(zhuǎn)t03cjmp key2；t03： cjne a ，# 1bh， t04 ；cjmp key3； k3 鍵未按下轉(zhuǎn)到k4鍵處理程序t04： cjne a ，# 17h， t05 ；cjmp key4；（2）步進電機正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序push a 保護現(xiàn)場mov ra，4； 設計步長計算器clr c; orl c； dsh； 轉(zhuǎn)向標志為1轉(zhuǎn)移jc rote;mov ro，20h； 正轉(zhuǎn)控制字首指針ajmp loop;rote： mov ro,#27h； 反轉(zhuǎn)控制字首指針loop： mov a ro； mov p1，a; 輸出控制字 acail delay； 延時wc ro; 指針加1mov a ，ro；jz tpl； 結(jié)束標志轉(zhuǎn)移loop1：djne 124 loop； 步長不為零轉(zhuǎn)移pop a； 恢復現(xiàn)場ret 返回tpl： mov a, ro;clr c;subba ，06hmov ro,aajmp loop；delay： mov r2，m;delay： mov a，m1;loop： dz c a；